Perancangan dan Implementasi Multi

JURNAL TEKNIK ITS Vol. 5, No. 2, (2016) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print)
B83
Perancangan dan Implementasi Multi-Input
Konverter Buck Untuk Pengisian Baterai
Menggunakan Panel Surya dan Turbin Angin
Zainul Arifin, Dedet Candra Riawan, ST., M.Eng., Ph.D dan Heri Suryoatmojo, ST., MT., Ph.D
Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)
Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111
E-mail: [email protected] ; [email protected] ; [email protected]
Abstrak— Baterai adalah sebuah peralatan listrik yang
berfungsi untuk menyimpan energi pada peralatan elektrik,
elektronik, maupun peralatan otomotif. Perkembangan teknologi
pembangkitan tenaga listrik dengan memanfaatkan sumber
energi terbarukan saat ini berkembang pesat sehingga
diharapkan mampu menjadi sumber listrik alternatif. Untuk
membuat sistem yang diharapkan dilakukan dengan cara
menggabungkan sumber-sumber energi listrik yang ramah
lingkungan dan melimpah seperti sel surya dan turbin
angin.Tujuan dari penggunaan teknologi Konverter multi-input
(MIC) adalah untuk menggabungkan keluaran tegangan panel
surya dan turbin angin agar kedua sumber dapat bekerja secara
mandiri atau pun bersama-sama. Konverter multi-input adalah
konverter yang mempunyai input lebih dari satu. Pada Tugas
Akhir ini daya yang dihasilkan dari MIC akan digunakan untuk
pengisian baterai. Pengoperasian MIC dilakukan dengan
mengatur duty cycle yang berupa modulator PWM yang
dipasang pada sakelar masing-masing sumber. Sedangkan
tegangan keluaran dari MIC dijaga konstan untuk pengisian
baterai dengan mode constant voltage. Dalam implementasi dapat
dibuktikan bahwa dengan menggunakan dua sumber input
tegangan dan beban resistor, tegangan keluaran konverter tetap
terjaga konstan
Kata Kunci: Panel surya,
Konverter multi-input
Baterai,
dapat diperbaharui maupun yang dapat diperbaharui,
Contohnya seperti pembangkit energi angin, surya, dan diesel.
Kontribusi dari tugas akhir ini adalah Konverter multi-input
(MIC) digunakan sebagai solusi alternatif untuk
mengkombinasi sumber energi terbarukan yang ada sehingga
dapat menyederhanakan dalam mengatur dua sumber yang
tersedia, menyederhanakan desain dan mengurangi biaya.
Terdapat sebuah kontrol dengan PWM pada setiap sumber
agar dapat bekerja bergantian sesuai Duty cycle masingmasing [3]. Kedua input dimasukan kedalam konverter buck
dimana tegangan keluaran akan lebih kecil dari tegangan input
sehingga dapat dikondisikan untuk beban yang mempunyai
daya kecil[4].
Dengan mengacu pada rentang tegangan pengisian baterai
lead acid, bisa ditentukan nilai tegangan keluaran konverter
yang akan dikeluarkan nantinya. Dimana tegangan keluaran
konverter harus lebih besar daripada tegangan baterai. Dengan
begitu pengisian baterai dapat dilakukan[5]-[6].
II. URAIAN PENELITIAN
A. Konverter DC-DC multi-input konverter buck
konverter DC-DC,
S1
+
VL
-
L
I.
PENDAHULUAN
Perkembangan pemanfaatan sumber energi terbarukan
seperti energi surya dan energi angin menjadi energi listrik
saat ini yang telah meningkat secara signifikan. Penggunaan
energi terbarukan tersebut juga diiringi oleh petumbuhan
teknologi elektronika daya yang cepat dan semakin canggih,
namun ketersedian energi matahari dan energi angin
bergantung pada waktu, cuaca dan musim. Contoh kasus yang
pertama adalah saat musim kemarau, energi matahari
berlimpah akan tetapi kecepatan angin pelan, yang kedua saat
musim penghujan, karena mendung cahaya matahari tertutup
awan sedangkan angin tertiup kencang. Karena melihat
kenyataan itu dibuatlah teknik hybrid dimana tenaga panel
surya dan turbin angin dipadukan sehingga lebih handal untuk
menyuplai tenaga secara kontinu dari pada bekerja secara
terpisah[1]-[2].
Teknik hybrid yang sekarang banyak digunakan adalah
menggabungkan beberapa jenis pembangkit listrik yang tidak
IL
DC
IL
IC
D1
+
C
S2
DC
R
Vo
-
D2
Gambar 1. Topologi Konverter.
Ketika sakelar pertama S1 dan sakelar kedua S2 dimatikan,
dioda D1 dan D2 akanakan memberikan jalan by pass agar
arus induktor mengalir terus menerus.Dengan menerapkan
skema Kontrol PWM untuk menyalakan sakelar S1 dan S2,
multi-input yang direncanakan bisa mengalirkan dua sumber
tegangan secara sendiri-sendiri maupun gabungan.
JURNAL TEKNIK ITS Vol. 5, No. 2, (2016) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print)
B84
Gambar 2. Operasi konverter buck multi-input (a) mode 1 (b) mode 2, (c) mode 3, (d) mode 4
B. Mode Operasi Konverter
Konverter DC-DC multi-input buck converter memiliki
empat mode operasi dalam satu periode penyakelaran. Dalam
melakukan analisis terhadap mode operasi konverter,
diasumsikan bahwa semua komponen dianggap dan konverter
beroperasi secara continuous-continuous conduction mode (CCCM) atau arus induktor iLselalu kontinu [3].
1. Mode 1
Pada saat (S1 : ON / S2 : OFF) sakelar satu (S1) diaktifkan
dan sakelar dua (S2) dimatikan. S1 konduksi, Dioda D1
bekerja reverse bias dan dianggap sebagai rangkaian terbuka,
dan disisi lain V2 mati sehingga dioda D2 akan menyediakan
jalur by pass untuk induktor sesuai ditunjukan pada Gambar 2
(a). Dalam mode ini V1 akan menyuplai komponen
penyimpanan daya induktor L dan kapasitor (C) serta beban
(R).
2. Mode 2
Pada saat (S1 : OFF / S2 : ON) sakelar satu (S1) dimatikan
dan sakelar dua (S2) diaktifkan. S2 konduksi, Dioda D2
bekerja reverse bias dan dianggap sebagai rangkaian terbuka,
dan disisi lain V1 mati sehingga dioda D1 akan menyediakan
jalur by pass untuk induktor sesuai ditunjukan pada Gambar 2
(b). Dalam mode ini V2 akan menyuplai komponen
penyimpanan daya induktor L dan kapasitor (C) serta beban
(R).
3. Mode 3
Pada saat (S1 : ON / S2 : ON) sakelar satu (S1) dan sakelar
dua (S2) diaktifkan. Sakelar S1 dan S2 konduksi, Dioda D1
dan dioda D2 bekerja reverse bias dan dianggap sebagai
rangkaian terbuka, dan disisi lain V1 dan V2 tersusun seri
sesuai ditunjukan pada Gambar 2 (c).pada mode ini V1dan V2
yang tersusun seri menyuplai komponen penyimpanan daya
induktor L dan kapasitor (C) serta beban (R).
4. Mode 4
Pada saat (S1 : OFF / S2 : OFF) sakelar satu (S1) dan
sakelar dua (S2) dimatikan. Sakelar S1 dan S2 isolasi, Dioda
D1 dan dioda D2 bekerja forward bias dan dianggap sebagai
rangkaian terbuka. Disisi lain V1 dan V2 mati sehingga dioda
D1 dan dioda D2 akan menyediakan jalur by pass untuk
induktor sesuai ditunjukan pada Gambar 2(d). Dalam mode ini
V1 dan V2 tidak menyuplai ke beban namun ada arus sisa dari
induktor menyuplai kapasitor (C) dan beban (R).
C. Analisis Persamaan konverter multi-input
Untuk menentukan besar nilai komponen yang digunakan
pada konverter multi-input buck converter seperti duty cycle 1
D1, duty cycle 2 D2, kapasitor C, induktor L, ripple arus(IL)
maupun ripple tegangan keluaran (Vo) keempat mode
sebelumnya akan digunakan. Adapun mode 1 dapat diperoleh
persamaan sebagai berikut :
(2.1)
(2.2)
(2.3)
JURNAL TEKNIK ITS Vol. 5, No. 2, (2016) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print)
B85
Selanjutnya pada mode 2 yang ditunjukan pada Gambar 2 (b)
didapatkan persamaan sebagai berikut:
Induktor diasumsikan mempunyai induktansi besar
sehingga ripple arus diabaikan. Ketika S1 dan S2 aktif arus
yang dihasilkan V1 dan V2 (I1 dan I2) sama dengan arus yang
mengalir di induktor (IL) sehingga arus rata-rata yang dapat
dimasukan dapat ditulis dalam persamaan :
(2.5)
(2.18)

(2.4)
(2.19)
(2.6)
III. DESAIN, SIMULASI DAN IMPLEMENTASI

(2.7)
Selanjutnya pada mode 3 yang ditunjukan pada Gambar 2 (c)
didapatkan persamaan sebagai berikut:
(2.8)
(2.9)
A. Desain
Desain konverter dilakukan untuk menentukan parameter
rangkaian dengan memperhitungkan peralatan yang terdapat
di laboratorium dan komponen yang tersedia di pasaran,
sehingga mempermudah proses implementasi prototype
konverter. Tabel 1 di bawah ini menunjukkan parameter awal
yang digunakan sebagai acuan dalam proses desain konverter.
Tabel 1.
Spesifikasi Awal Desain Konverter
Parameter
Nilai
Daya Output PO
Tegangan Output VO
Tegangan Input 1 V1
Tegangan Input 2 V2
Switching Frequency (f)
Ripple VO(ΔVO)
Ripple IL(ΔIL)
30 Watt
13.8 Volt
17 Volt
24 Volt
40 kHz
1%
30 %
(2.10)

(2.11)
Dari persamaan 2.11 bisa diketahui nilai dari ripple arus
induktor (IL).Selanjutnya pada mode 4 yang ditunjukan pada
Gambar 2 (d) didapatkan persamaan sebagai berikut:
(2.12)
(2.13)



Tegangan output multi-input buck converter harus dijaga
konstan sebesar 13.8 Volt dengan bekerja-samanya dua duty
cycle. Konverter multi-input ini bekerja pada tegangan input
V1 =17 Volt dan V2 = 24 Volt. Diasumsikan duty cycle1 D1=
50% Dari persamaan 2.17 dapat diperoleh persamaan duty
cycle sebagai berikut:
(2.14)

(3.1)
(2.15)
Dengan mengaplikasikan prinsip induktor volt-second balance
dan mengkobinasikan persamaan (2.8), (2.5) dan (2.12)
dihasilkan persamaan:
∫
(3.2)
Dari persamaan 2.11 ,jika tegangan input 1 V1 ditambahkan
dengan tegangan input 2 V2 sama dengan V sumber Vs,
V1+V2=Vs diperoleh persamaan dan perhitungan sebagai
berikut :
∫
(2.16)
∫
Dari persamaan 2.16 diatas diperoleh persamaan dasar untuk
konverter buck multi-input seperti persamaan:
(2.17)
(
)
(3.3)
(
)
Dalam implementasinya nilai induktor dibuat lebih besar
dari perhitungan dan dibuat induktor dengan nilai sebesar
800µH
JURNAL TEKNIK ITS Vol. 5, No. 2, (2016) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print)
Dari persamaan muatan yang tersimpan pada tegangan
output. Adapun persamaan umtuk memperoleh nilai kapasitor
adalah sebagai berikut :
(3.4)



(3.5)

(3.6)
Jika perubahan pengisian pada Q adalah segitiga diatas
sumbu X maka dihasilkan persamaan :



( )(
)


(3.7)
B86
C. Implementasi
Implementasi dilakukan untuk mengetahui kinerja
konverter berdasarkan desain dan simulasi yang telah
dilakukan. Tabel 2 menunjukkan spesifikasi komponen yang
digunakan. Nilai ini diperoleh dari hasil perhitungan dan
disesuaikan dengan komponen yang tersedia di pasaran.
Tabel 2.
Spesifikasi Komponen Rangkaian Konverter
Komponen
Nilai
Induktor L1
Kapasitor C
Dioda
MOSFET
800 μH
5uF/100 V
MUR1560
IRF540
(3.8)

(3.9)

Sesuai dengan komponen pada Tabel 2, Gambar 4 di
dibawah menunjukkan hasil implementasi dari konverter DCDC rasio tinggi dengan induktor-kopel dan dioda-kapasitor.
(3.10)
(

)
(3.11)
(a)
Dalam implementasinya nilai kapasitor disesuaikan dengan
kapasitor yang tersedia di pasaran, maka dua kapasitor 10µF
disusun seri sehingga menghasilkan nilai 5µF.
B. Simulasi
Simulasi dilakukan menggunakan software dengan nilai
dari parameter-parameter yang telah dihitung. Untuk nilai
induktansi bocor LKP dimasukkan sebesar 5 μH yang diperoleh
dari pengukuran induktor-kopel hasil implementasi
menggunakan LCR meter. Simulasi dilakukan dalam kondisi
tunak dengan V1 = 17 Volt, V2 = 24 Volt, D1 = 0,6 dan secara
perhitungan diperoleh nilai D2= 0.22.
(b)
Gambar 4. Hasil Implementasi Alat (a) Tampak samping (b) Tampak atas
IV. PENGUJIAN
A. Pengujian Gelombang Pensakelaran
Pengujian sinyal PWM dan pensakelaran dilakukan untuk
mengetahui pakah bentuk gelombang output PWM dan proses
pensakelaran pada dioda dan MOSFET sudah bekerja
sebagaimana mestinya. Pengujian dilakukan dengan
menggunakan osiloskop dengan memberikan tegangan input
pertama V1 = 15 V, tegangan input kedua V2 = 20 V, duty
cycle pertama D1 = 0.28% dan duty cycle kedua D2 = 0.48 %
sebagaimana yang tertera pada Tabel 1 . frekuensi switching
yang digunakan adalah 40 kHz, sehingga besar periode
gelombang PWM dan pensakelaran konverter adalah 25 µs.
Gambar 3. Gelombang Arus Induktor dan Tegangan Kapasitor.
JURNAL TEKNIK ITS Vol. 5, No. 2, (2016) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print)
B87
B. Pengujian Arus induktor terhadap duty cycle
Dari Gambar 4.2 dapat diketahui bahwa dioda D1 dan D2 D. Pengujian Rasio Konversi
sudah bekerja sebagaimana mestinya yaitu sesuai dengan
Pengujian rasio konversi dilakukan dengan menggunakan
mode operasi konverter dan hasil simulasi. Saat tegangan tegangan input V1 =15 V, V2 =20 V dan duty cycle dinaikkan
MOSFET G-S 1 atau VGS1 dalam kondisi high (VGS1 =8.6 V) secara bertahap, output terjaga konstan. Gambar 7 di bawah
maka kondisi dioda D1 reverse bias. Begitu juga saat ini menunjukkan grafik hasil pengujian rasio konversi
tegangan MOSFET G-S 2 (VGS1) atau VGS1 dalam kondisi konverter.
high (VGS1 = 11 V) maka kondisi dioda D2 juga reverse bias.
Saat tegangan MOSFET G-S 1(VGS1) dalam kondisi low (VGS1
=0V) proses sebaliknya terjadi. Begitu pula pada VGS2 dan D2.
Gambar 7. Pada saat D1 diatur 10-85% dan D2 mengikuti persamaan 3.2
tegangan output dijaga konstan.
Dari grafik diatas, dapat dilihat ketika konverter bekerja
pada semua perubahan duty cycle, output tetap terjaga
konstan.
Gambar 5. Bentuk Gelombang Penyakelaran pada Dioda dan MOSFET
C. Pengujian Arus Induktor dan Tegangan Kapasitor
Bentuk gelombang hasil pengujian arus induktor (IL) saat
konverter diberi tegangan input V1 =15 V ; V2 = 20 V dan
duty cycle 1 =28% ; duty cycle 2 =48% dapat dilihat pada
Gambar 6. Dari Gambar tersebut dapat dianalisis bahwa saat
VGS konduksi, tegangan Induktor VL bernilai poisitif.
Induktor mengalami charging energi sehingga arus induktor IL
mengalami peningkatan. Sedangkan saat VGS pada kondisi
low tegangan induktor VL bernilai negatif. Induktor mengalami
discharging energi sehingga arus induktor IL mengalami
penurunan. Selain itu nilai arus induktor selalu positif (lebih
dari 0). Hal ini membuktikan bahwa konverter beroperasi
secara C-CCM (Continuous - Continuous Conduction Mode)
sesuai dengan desain dan simulasi yang telah dibahas dibab 3.
E. Pengujian Efisiensi
Pengujian efisiensi dilakukan pada tegangan input V1 = 17
Volt dan V2 = 24 Volt dengan tegangan output dijaga konstan
sebesar ±13.8 Volt. Grafik di bawah menunjukkan hasil
pengujian efisiensi konverter.
Gambar 8. Grafik Efisiensi Konverter
Dari Gambar 8 dapat diketahui bahwa efisiensi tertinggi
konverter adalah saat beban maksimal. Selain itu semakin
tinggi tegangan input, semakin tinggi pula efisiensi konverter.
F. Pengujian Menggunakan Modul Fotovoltaik
Pengujian menggunakan modul fotovoltaik dilakukan untuk
mengetahui bahwa tegangan output konverter dapat dijaga
konstan pada tingkat iradiasi yang berbeda.Gambar 9 di bawah
menunjukkan hasil pengujian yang dilakukan pada pukul
09.00 hingga 11.00. Pengujian tidak dilanjutkan dikarenakan
pada jam 11.00 hujan.
Gambar 6. Bentuk Gelombang tegangan induktor (VL) danarus induktor (IL)
terhadap MOSFET
JURNAL TEKNIK ITS Vol. 5, No. 2, (2016) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print)
Gambar 9. Grafik Pengujian Menggunakan Modul PV
Dari Gambar 9 dapat diketahui bahwa tegangan output
konverter dapat dijaga konstan pada tegangan ±13.8 Volt
dengan mengubah duty cycle konverter meski tegangan input
konverter berubah-ubah akibat perubahan intensitas cahaya
matahari yang diserap sel surya.
V. KESIMPULAN
Berdasarkan analisis data hasil simulasi dan pengujian
implementasi konverter buck multi-input dengan sumber
fotovoltaik dan turbin angin, dapt disimpulkan beberapa hal
seperti berikut :
1. Konverter buck multi-input yang dipakai adalah 1 (satu)
konverter buck yang mempunyai 2 (dua) input yang
berkolaborasi menjaga tegangan output tetap konstan.
2. Pengujian efisiensi konverter dilakukan dengan beban 10
- 100% dari daya 30 W dan mengalami kenaikan efisiensi
saat 20 – 100 %.
3. Duty cycle pertama dan kedua berkolaborasi untuk
menjaga output tetap konstan sesuai nilai (besar) tegangan
input.
VI. DAFTAR PUSTAKA
[1].
[2].
[3].
[4].
[5].
[6].
Nugroho. Aditya. 2012. “Konverter multi-inputUntuk
Sistem Pembangkit Hybrid Panel surya Dan Turbin
Angin”. Surabaya : Institut Teknologi Sepuluh
Nopember
Y.-M. Chen., S.-C Hung., C,-S.Cheng., and Y.-C.Liu.,
2005. “Multi-input Inverter for Grid-Connected Hybrid
PV/Wind Power Sistem” IEEE Transaction ON 0-78038975
Lalit Kumar, Shailendra Jain., 2013. “A multiple source
DC/DC converter topology” Electrical Power and Energi
Systems 51 (2013) 278–291
Miguel Rodr´ıguez., Pablo Fernandez-Miaja., Alberto
Rodrıguez., February 2010. “A Multiple-Input Digitally
Kontrolled Konverter Buck For Envelope Tracking
Applications In Radio frequency Power Amplifiers”,
IEEE Transaction ON POWER ELECTRONICS, VOL.
25, NO. 2
H. Rashid. Muhammad. 2011. “Power Electronics
Handbook 3rd Edition”.Butterworth-Heinemann. Florida
: University of West Florida
Hart. Daniel W. 2010. “Power Electronics”. Valparaiso.
Indiana : Valparaiso University
B88